Elektrolit Padat Li7La3Zr2O12 (LLZO) untuk Baterai Ion Lithium

Penemuan Utama Mengenai Struktur Kristal Li7La3Zr2O12 (LLZO) Meliputi:


Fase Struktural: LLZO ada dalam dua fase struktural: struktur tetragonal (I41/acd) dan struktur kubik (Ia3̅d). Fase tetragonal stabil pada suhu kamar tetapi menunjukkan konduktivitas ionik yang relatif rendah, sedangkan fase kubik stabil pada suhu yang lebih tinggi dan menunjukkan konduktivitas ionik yang jauh lebih tinggi.


Distribusi Ion Li: Dalam fase tetragonal, ion litium menempati situs tetrahedral 8a dan situs oktahedral 16f dan 32g. Sebaliknya, pada fase kubik, ion litium menempati sebagian situs tetrahedral 24d dan oktahedral 96h. Perbedaan dalam penempatan lokasi ini sangat penting karena mempengaruhi konduktivitas ionik, dengan fase kubik menyediakan lebih banyak lokasi yang tersedia untuk migrasi ion Li.


Transformasi Fase: Transformasi dari fase tetragonal ke fase kubik dapat terjadi pada suhu yang lebih tinggi, yang meningkatkan konduktivitas ionik karena peningkatan mobilitas ion Li.


Teknik Sintering: Teknik sintering yang tepat dapat menghasilkan pelet yang lebih padat dengan konduktivitas lebih tinggi pada suhu kamar dengan mengurangi ketahanan batas butir, yang terpenting untuk aplikasi praktis.


Efek Doping: Doping dapat menstabilkan fase kubik dan meningkatkan konduktivitas ionik. Sangat penting dalam memilih dopan yang tepat dan konsentrasinya untuk mengoptimalkan struktur kristal dan meningkatkan kinerja material.


Temuan ini menyoroti pentingnya struktur kristal dan doping dalam meningkatkan konduktivitas ionik LLZO, menjadikannya kandidat yang menjanjikan untuk aplikasi elektrolit padat.


Doping secara signifikan mempengaruhi konduktivitas elektrolit padat LLZO (Li7La3Zr2O12) dalam beberapa cara:


Stabilisasi Fase Kubik: Doping membantu menstabilkan fase kubik LLZO, yang dikaitkan dengan konduktivitas ionik yang lebih tinggi dibandingkan dengan fase tetragonal. Struktur kubik memungkinkan lebih banyak situs yang tersedia untuk migrasi ion litium, sehingga meningkatkan konduktivitas secara keseluruhan.


Peningkatan Migrasi Li Ion: Penambahan dopan dapat mengubah struktur kisi, menyebabkan susunan yang lebih tidak teratur. Gangguan ini memfasilitasi migrasi ion Li dari satu lokasi ke lokasi lainnya, yang sangat penting untuk meningkatkan konduktivitas ionik. Ukuran dan jenis dopan dapat mempengaruhi ukuran sel LLZO kubik, baik menyusut atau memperbesar, yang pada gilirannya mempengaruhi mobilitas ion Li.


Konsentrasi Li Ion Optimal: Doping memungkinkan penyesuaian konsentrasi ion litium di dalam struktur. Penelitian telah menunjukkan bahwa konduktivitas ionik tertinggi dicapai dengan konsentrasi Li di kisaran 6–7 per unit formula (pfu) saat menggunakan dopan supervalen. Konsentrasi optimal ini membantu menjaga keseimbangan antara stabilitas struktural dan mobilitas ionik.


Jenis Dopan: Berbagai jenis dopan (subvalen, isovalen, dan supervalen) dapat digunakan untuk menargetkan situs tertentu (Li, La, dan Zr) dalam struktur LLZO. Penelitian menunjukkan bahwa dopan tertentu, seperti Al dan Ga, memberikan hasil terbaik bila disubstitusi di lokasi Li, sehingga meningkatkan konduktivitas ionik secara signifikan.


Pengurangan Energi Aktivasi: Doping juga dapat menurunkan energi aktivasi yang diperlukan untuk pergerakan ion Li, yang selanjutnya berkontribusi terhadap peningkatan konduktivitas ionik. Hal ini sangat penting untuk mencapai kinerja tinggi pada suhu kamar.


Secara keseluruhan, doping adalah strategi penting untuk mengoptimalkan konduktivitas ionik elektrolit padat LLZO, menjadikannya lebih layak untuk aplikasi dalam teknologi penyimpanan dan konversi energi.


Beberapa metode yang digunakan untuk pembuatan Li7La3Zr2O12 (LLZO), antara lain:


Reaksi Padat: Ini adalah metode pertama yang digunakan untuk membuat LLZO, dilaporkan oleh Murugan et al. pada tahun 2007. Proses ini melibatkan pencampuran bahan prekursor dan sintering pada suhu tinggi (misalnya 1230 °C selama 36 jam). Namun, metode ini memiliki beberapa kelemahan, seperti kesulitan dalam mencapai struktur stoikiometri yang diinginkan, suhu sintering yang tinggi menyebabkan hilangnya Li, dan masuknya pengotor dari wadah.


Metode Sol-Gel: Metode ini melibatkan proses hidrolisis dan polimerisasi pada suhu yang relatif rendah, yang membantu menghindari masalah terkait kehilangan Li dan pembentukan fase tidak murni. Metode sol-gel menghasilkan partikel berukuran lebih halus yang terdistribusi secara merata tanpa memerlukan penggilingan. Telah digunakan untuk membuat berbagai komposisi LLZO, meskipun konduktivitas ionik LLZO yang dihasilkan melalui metode ini umumnya lebih rendah dibandingkan teknik lainnya.

Metode Pechini: Teknik sol-gel yang dimodifikasi yang menggunakan asam karboksilat untuk mengkelat ion logam, membentuk resin polimer. Metode ini memungkinkan suhu sintering yang lebih rendah dan waktu reaksi yang lebih singkat, sehingga menghasilkan partikel berukuran nano yang terdistribusi secara merata. Telah berhasil digunakan untuk mensintesis LLZO yang didoping Al kubik yang stabil.

Sputtering Magnetron Frekuensi Radio (RF): Teknik pemrosesan film tipis ini melibatkan pengendapan lapisan tipis LLZO melalui sputtering bertenaga RF. Ia menawarkan kemudahan kontrol atas proses pengendapan, meskipun memiliki keterbatasan dalam kemampuan menghasilkan dan konduktivitas ionik yang dihasilkan seringkali buruk.

Deposisi Laser Berdenyut (PLD): Metode ini menggunakan sinar laser untuk mengikis target pada sudut yang sesuai, menjaga stoikiometri dan komposisi bahan target. PLD bersifat fleksibel, memungkinkan penyesuaian kondisi pengendapan, dan membantu mengurangi kehilangan Li selama proses.

Metode-metode ini menyoroti beragam pendekatan yang telah diambil para peneliti untuk mensintesis LLZO, masing-masing dengan kelebihan dan tantangannya dalam hal integritas struktural dan konduktivitas ionik.



REFERENSI

Raju, M. M., Altayran, F., Johnson, M., Wang, D., & Zhang, Q. (2021). Crystal structure and preparation of Li7La3Zr2O12 (LLZO) solid-state electrolyte and doping impacts on the conductivity: An overview. Electrochem, 2(3), 390-414.

Komentar

Posting Komentar

Postingan populer dari blog ini

Bagaimana Baterai Bisa Mengalami Kerusakan atau Kegagalan??

Gambar
 Salah satu hal paling penting dalam desain baterai adalah keamanan. Keamanan dapat terjadi dalam bentuk perubahan kimia dalam sel, separator yang digunakan, pemilihan bahan aktif, dan elektrolit yang digunakan. Tetapi pada dasarnya, keamanan lithium-ion dapat dilakukan dengan melindungi sel dalam sistem dan tetap terjaga dalam rentang suhu dan tegangan optimal agar menghindari kegagalan yang dapat menyebabkan bahaya bagi pengguna teknologi yang menggunakan sel lithium ion. Berikut merupakan jenis dan penyebab failure mode yang dapat terjadi pada baterai lithium-ion yang dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar 1.  Jenis dan Penyebab Failure Mode Kegagalan sel baterai dapat disebabkan oleh beberapa faktor utama seperti korsleting, penguapan (gassing), dan pertumbuhan impedansi. Korsleting, baik internal maupun eksternal, sering disebabkan oleh serpihan, pertumbuhan dendrit, atau penyusutan separator, serta material asing yang menghubungkan antar tab atau menyebabkan penet...
Baca selengkapnya

Prinsip Kerja Baterai Ion Lithium

Gambar
Prinsip kerja sederhana dari baterai ialah energi kimia dikonversi menjadi energi listrik, atau sebaliknya. Pada baterai ion lithium lebih dikenal sebagai reaksi reduksi dan reaksi oksidasi. Reaksi penambahan jumlah elektron dari molekul atau atom disebut reaksi reduksi, sedangkan reaksi pengurangan jumlah elektron dari molekul atau atom disebut reaksi oksidasi [1]. Berikut skema charge discharge untuk baterai ion lithium seperti Gambar 1 [2] Gambar 1. Skema prinsip pengisian dan pengosongan baterai sekunder ion lithium[2] Dalam baterai ion lithium, katoda dan anoda masing-masing terdiri dari bahan yang berbeda yang dapat disematkan secara reversibel dan melepaskan ion lithium. Terdapat separator dan garam lithium sebagai elektrolit kemudian dilarutkan dalam campuran pelarut seperti dimetil karbonat, etilen karbonat (EC), atau propilen karbonat (PC) [3]. Selama pengisian, ion Li+ dilepaskan dari katoda dan mendapatkan elektron pada anoda, yang direduksi menjadi lithium dan d...
Baca selengkapnya

Elektrolit Keramik Padat untuk Baterai Ion Lithium

Gambar
 Elektrolit keramik dalam baterai litium-ion berfungsi sebagai media padat bagi ion litium untuk berpindah antara anoda dan katoda selama siklus pengisian dan pengosongan. Begini cara kerjanya: 1. **Konduktivitas Ionik**: Elektrolit keramik biasanya terbuat dari senyawa berbasis litium (seperti Li10GeP2S12 atau Li7La3Zr2O12) yang menunjukkan konduktivitas ionik tinggi. Hal ini memungkinkan ion litium bermigrasi melalui struktur keramik secara efisien. 2. **Struktur**: Struktur kristal keramik memberikan kerangka stabil yang memfasilitasi pergerakan ion litium namun tetap kedap terhadap elektron dan spesies lain, sehingga membantu mencegah korsleting. 3. **Stabilitas Elektrokimia**: Elektrolit keramik dapat menahan voltase dan suhu yang lebih tinggi dibandingkan elektrolit cair tradisional, sehingga cocok untuk aplikasi energi dan suhu tinggi. 4. **Keamanan**: Menjadi padat, elektrolit keramik mengurangi risiko kebocoran dan sifat mudah terbakar yang terkait dengan elektrolit cair, ...
Baca selengkapnya